Photophysics of Biological and Synthetic Multichromophoric Systems : Spectroscopic Investigations of Bacterial Light-Harvesting Complexes and of Carbonyl-Bridged Triarylamine Derivatives

Titelangaben

Beyer, Sebastian R.:
Photophysics of Biological and Synthetic Multichromophoric Systems : Spectroscopic Investigations of Bacterial Light-Harvesting Complexes and of Carbonyl-Bridged Triarylamine Derivatives.
Bayreuth , 2015 . - XII, 119 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Multichromophoric systems play a major role in natural photosynthetic processes. They are the basic building blocks for the absorption of light and the subsequent energy transfer within photosynthetic organisms. Optimized by evolutionary selection processes, they constitute an ideal blueprint for artificial, nature-inspired multichromophoric light-harvesting systems. This thesis investigates the energy transfer and the photophysical properties of different multichromophoric systems: -Reaction centre light-harvesting complex I (RC-LH1), a natural light-harvesting complex from purple bacteria, -a hybrid system built from a spherical gold nanoparticle (AuNP) and a light-harvesting complex II (LH2), another light-harvesting complex from purple bacteria, -two novel artificial light-harvesting systems, based on carbonyl-bridged triarylamines (CBTs) Different methods of optical spectroscopy and optical microscopy have been used to investigate these systems. The first part of this work discusses the results of time-resolved optical spectroscopy in a picosecond-range on isolated RC-LH1 from Rhodopseudomonas palustris. Their fluorescence decay was recorded dependent on the excitation fluence and the repetition rate of the excitation laser. Both parameters were varied over three orders of magnitude. We observed three components in the decays with characteristic decay times of 40, 200 and 600 ps, respectively, that occurred in different amplitude ratios, dependent on the excitation parameters. A first suggestion that the decay times are an indicator of the redox state of the so called “special pair” (P) within the RC could be underpinned by two reference experiments. In those experiments, the redox state of P was influenced by a reducing agent or an oxidising agent, respectively, by stepwise increasing its concentration while the fluence and the repetition rate stayed fixed. Thus the decay times of 40, 200 and 600 ps could be assigned to different species of RC-LH1 with their special pair in the neutral state P, with the special pair in the reduced state P+ and with the reaction centre lacking or dysfunctional, respectively. Using these results as well as values from the literature we were able to design a detailed kinetic model of the energy transfer pathways in RC-LH1. The fluorescence decays of RC-LH1 could then be simulated by a global master equation approach based on a microstate description. Due to an excellent agreement between experiment and simulation this model allows to predict the relative populations of the aforementioned species for given excitation parameters as well as to predict the relative population of carotenoid triplet states on the LH1 rings. In the second part of this work, a fluorescence microscope with single molecule sensitivity was used to show the plasmonic fluorescence enhancement of LH2 from Rhodobacter sphaeroides by spherical AuNP. The fluorescence intensities of single LH2 were measured in presence and in absence of AuNP, with the excitation wavelength in resonance and off resonance of the AuNP’s plasmon. Using a home-built evaluation algorithm the intensities of more than 4000 single LH2 could be retrieved. From these intensities, extensive distributions that show the relative frequencies of the different intensity values for all the aforementioned excitation conditions could be gained. When excited in resonance with the plasmon of the AuNP, the intensity distribution of the LH2 in presence of AuNPs as a whole shifted to higher intensity values as compared to the case in absence of AuNPs. The mean value of the intensity distribution in presence of the AuNP was about a factor of 2 higher than that of the intensity distribution in absence of the AuNP. When excited off the plasmon resonance, the intensity distributions of LH2 were almost identical in presence as well as in absence of AuNPs. These observations show the plasmonic origin of the fluorescence enhancement of LH2 and point towards a small spatial distance between LH2 and AuNP, which might indicate an adsorption of LH2 to the spherical AuNP. In a reference experiment a spacer layer of a thickness of 20 nm was introduced between AuNP and LH2. In this configuration, no fluorescence enhancement could be detected even at excitation of LH2 within the plasmon resonance. The result from this reference experiment thus defined a maximum distance between AuNP and LH2 of 20 nm when no spacer layer is present. Model calculations underpinned our observations and gave a direct hint towards an adsorption of LH2 to the AuNPs. The third part of this work is concerned with the extensive optical characterisation of two novel organic light-harvesting systems. Two derivatives of carbonyl-bridged triarylamines (CBTs) were investigated with absorption spectroscopy, photoluminescence (PL) emission and PL-excitation spectroscopy (all steady-state) as well as time-resolved emission spectroscopy on picosecond timescales. Both compounds consist of a CBT core that is decorated with either three peripheral naphthalimide (NI) molecules or three peripheral 4-(5-hexyl-2,2’-bithiophene)-naphthalimide (NIBT) molecules. These compounds are abbreviated as CBT-NI and CBT-NIBT, respectively. Additionally isolated CBT, NI and NIBT were investigated as reference compounds as well as mixtures of CBT with NI or NIBT, respectively, that were not covalently bound. For all compounds, we recorded the absorption spectra from the near ultraviolet to the near infrared range, the PL emission spectra in dependence of the excitation wavelength – which at the same time gave access to the PL-excitation spectra – as well as the PL quantum yield and the PL lifetime. For the mixtures of the isolated compounds the same parameters were recorded except for the PL quantum yield and the PL lifetime. The data showed that CBT-NI works as an energy funnel. Photoluminescence always occurred from the CBT core, no matter whether the excitation was tuned to the spectral region of the CBT core or the peripheral NI. For CBT-NIBT, the reverse behaviour could be observed. No matter which absorption band was excited, only PL from the NIBT periphery could be observed. In contrast to the concentrator abilities of CBT-NI, CBT-NIBT represents an energy distributor. In summary this thesis presented three multichromophoric systems that act as examples to understand natural light-harvesting systems, to manipulate them and to imitate them. The experiments on RC-LH1 from Rhodopseudomonas palustris allow a deeper understanding of the energy transfer pathways within this system. The model derived from these experiments enables us to make detailed predictions of the photophysical behaviour of RC-LH1 dependent on the excitation parameters. The study on AuNP-LH2 hybrids represents a statistically solid proof-of-principle that shows the plasmonic fluorescence enhancement of single bacterial light-harvesting complexes by well-defined nanostructures. It gives a good example on how natural light-harvesting systems can be manipulated. The imitation and advancement of natural light-harvesting concepts is realised in the study of the two derivatives of CBT. The extensive optical characterisation of these novel compounds shows their potential as building blocks for molecular electronics, organic photovoltaics and as a promising model system for molecular energy transfer.

Abstract in weiterer Sprache

Multichromophore Systeme spielen eine tragende Rolle in natürlichen Photosyntheseprozessen. Sie sind die Kernbausteine zur Absorption von Licht und dem anschließenden Energietransfer innerhalb photosynthetischer Organismen. Durch evolutionäre Selektionsprozesse optimiert, bilden sie eine ideale Blaupause für künstliche, von der Natur inspirierte multichromophore Lichtsammelsysteme. Die vorliegende Arbeit untersucht den Energietransfer und die photophysikalischen Eigenschaften verschiedener multichromophorer Systeme: -Reaktionszentrum-Lichtsammelkomplex I (RC-LH1), ein natürlicher Lichtsammelkomplex aus Purpurbakterien, -ein Hybridsystem bestehend aus einem sphärischen Gold-Nanopartikel (AuNP) und Lichtsammelkomplex II (LH2), ebenfalls ein Lichtsammelkomplex aus Purpurbakterien, -zwei neuartige künstliche Lichtsammelsysteme, basierend auf Carbonyl-verbrückten Triarylaminen (CBTs). Zur Untersuchung dieser drei Systeme wurden verschiedene Methoden der optischen Spektroskopie und Mikroskopie verwendet. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Ergebnisse zeitaufgelöster optischer Spektroskopie auf Pikosekunden-Zeitskalen an isolierten RC-LH1 von Rhodopseudomonas palustris. Deren Fluoreszenzzerfall wurde in Abhängigkeit von der Anregungsfluenz und der Wiederholrate des anregenden gepulsten Laserlichtes gemessen. Beide Parameter wurden dabei über drei Größenordnungen variiert. In den Zerfällen wurden drei Komponenten beobachtet mit charakteristischen Zerfallszeiten von 40, 200 und 600 ps, die je nach Anregungsparameter in verschiedenen Amplitudenverhältnissen zueinander auftreten. Eine anfängliche Vermutung, die Zerfallszeiten hingen mit dem Redox-Zustand des im RC befindlichen „special pair“ (P) zusammen, konnte mit zwei Referenzexperimenten untermauert werden. In diesen Referenzexperimenten wurde bei jeweils fester Fluenz und Wiederholrate sukzessive die Konzentration eines Reduktions- bzw. Oxidationsmittels erhöht und so der Redox-Zustand von P beeinflusst. Es ergab sich daraus die Zuordnung der Zerfallszeiten von 40, 200 und 600 ps zu verschiedenen Spezies von RC-LH1 mit neutralem special pair P, mit dem special pair im reduziertem Zustand P+ und mit fehlendem oder dysfunktionalem Reaktionszentrum. Aus diesen Ergebnissen und verfügbaren Literaturwerten wurde ein detailliertes kinetisches Modell der Energietransferwege in RC-LH1 entworfen. Über einen globalen Mastergleichungs-Ansatz basierend auf einer Mikrozustandsbeschreibung wurden die Fluoreszenzzerfälle von RC-LH1 simuliert. Dank einer hervorragenden Übereinstimmung von Experiment und Simulation erlaubt dieses Modell, Vorhersagen sowohl über die relative Population der drei oben genannten Spezies bei gegebenen Anregungsparametern zu treffen, als auch die relative Population an Carotenoid-Triplettzuständen auf den LH1-Ringen zu bestimmen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein Fluoreszenzmikroskop mit Einzelmolekülsensitivität eingesetzt um die plasmonische Fluoreszenzverstärkung von LH2 der Spezies Rhodobacter sphaeroides durch sphärische AuNP nachzuweisen. Die Fluoreszenzintensitäten einzelner LH2 wurden dazu in An- als auch in Abwesenheit von AuNP gemessen und dies jeweils bei einer Anregungswellenlänge innerhalb und außerhalb der Plasmonresonanz der AuNP. Durch die Anwendung eines selbst entwickelten automatisierten Auswertungsalgorithmus konnten die Intensitäten von mehr als 4000 einzelnen LH2 aufgenommen werden und daraus umfangreiche Verteilungen, welche die relativen Häufigkeiten der verschiedenen Intensitätswerte zeigen, für all die oben genannten Anregungsbedingungen gewonnen werden. Bei Anregung der LH2 in Resonanz mit der Plasmonschwingung konnte eine Verschiebung der gesamten Intensitätsverteilung hin zu höheren Werten beobachtet werden wenn AuNP anwesend waren, bezogen auf die Intensitätsverteilung bei Abwesenheit der AuNP. Der Mittelwert der Intensitätsverteilung bei Anwesenheit der AuNP lag um Faktor 2 höher als der Mittelwert der Intensitätsverteilung bei Abwesenheit der AuNP. Bei Anregung der LH2 außerhalb der Plasmonresonanz waren die Intensitätsverteilungen bei An- und Abwesenheit der AuNP nahezu identisch. Diese Beobachtungen zeigen den plasmonischen Ursprung der Fluoreszenzverstärkung von LH2 und deuten außerdem auf eine geringe räumliche Distanz zwischen LH2 und AuNP hin, möglicherweise auch auf eine Adsorption der LH2 an die sphärischen AuNP. In einem Referenzexperiment wurde darum eine 20 nm dicke Abstandsschicht zwischen AuNP und LH2 eingebracht. In dieser Konfiguration konnte auch bei Anregung der LH2 innerhalb der Plasmonresonanz keine Fluoreszenzverstärkung mehr beobachtet werden. Der maximale Abstand zwischen AuNP und LH2 ohne Abstandsschicht konnte so zu 20 nm bestimmt werden. Modellrechnungen untermauerten die Beobachtungen aus den Experimenten und lieferten einen direkten Hinweis auf eine Adsorption der LH2 an die AuNP. Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit der umfangreichen optischen Erstcharakterisierung zweier neuartiger organischer Lichtsammelsysteme. Zwei Derivate von Carbonyl-verbrückten Triarylaminen (CBTs) wurden mit Methoden der steady-state Absorptions-, Emissions- und Photolumineszenz (PL)-Anregungsspektroskopie sowie zeitaufgelöster optischer Emissions-Spektroskopie auf Pikosekunden-Zeitskalen untersucht. Bei den beiden Verbindungen handelt es sich jeweils um einen CBT-Kern der entweder mit drei peripheren Naphthalimid (NI)-Einheiten oder drei peripheren 4-(5-hexyl-2,2’-bithiophen)-naphthalimid (NIBT)-Einheiten bestückt ist. Die beiden Verbindungen werden als CBT-NI, beziehungsweise CBT-NIBT bezeichnet. Als Referenzverbindungen wurden zusätzlich isolierte CBT, NI und NIBT untersucht, sowie Mischungen aus CBT und nicht kovalent-angebundenen NI, beziehungsweise NIBT. Für alle Verbindungen wurden die Absorptionsspektren vom nahen ultravioletten bis in den nahen infraroten Spektralbereich, die Emissionsspektren in Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge – und somit simultan die PL-Anregungsspektren – sowie die PL-Quantenausbeute und die PL-Lebenszeit bestimmt. Für die Mischungen der isolierten Verbindungen wurden die gleichen Parameter bestimmt, mit Ausnahme der PL-Quantenausbeute und der PL-Lebenszeit. Aufgrund der Datenlage aus den oben genannten Experimenten konnte für CBT-NI das Verhalten eines Energietrichters nachgewiesen werden. Ganz gleich, ob eine Anregung in den Spektralbereich des CBT-Kerns oder der peripheren NI erfolgte, konnte ausschließlich PL aus dem CBT-Kern beobachtet werden. Für das Verhalten von CBT-NIBT ergab sich der umgekehrte Fall. Egal in welcher Absorptionsbande die Anregung erfolgte, konnte nur Emission aus der NIBT-Peripherie nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu den Konzentrator-Eigenschaften von CBT-NI, stellt CBT-NIBT somit einen Energie-Distributor dar. In dieser Arbeit wurden drei multichromophore Systeme vorgestellt, die Beispiele darstellen natürliche Lichtsammelsysteme zu verstehen, sie zu manipulieren und sie zu imitieren. Die Untersuchungen an RC-LH1 von Rhodopseudomonas palustris ermöglichen ein tiefergehendes Verständnis der Energietransferwege innerhalb des Systems. Darüber hinaus können mit dem aus den Experimenten abgeleiteten Modell detaillierte Vorhersagen des photophysikalischen Verhaltens von RC-LH1 in Abhängigkeit der Anregungsparameter getroffen werden. Die Studie an AuNP-LH2 Hybriden stellt einen statistisch belastbaren Proof-of-Principle dar, der die plasmonische Fluoreszenzverstärkung einzelner bakterieller Lichtsammelkomplexe durch wohldefinierte Nanostrukturen belegt und gibt ein gutes Beispiel wie natürliche Systeme manipuliert werden können. Die Imitation und Weiterentwicklung natürlicher Lichtsammelkonzepte sind in den beiden Derivaten von CBT realisiert. Die umfangreiche optische Charakterisierung dieser neuartigen Verbindungen zeigt ihr Potential als Bausteine für die molekulare Elektronik, die organische Photovoltaik und als vielversprechendes Modellsystem für molekularen Energietransfer.